základy astronomie 1 praktikum 5. Dírková komora 1 Úvod 1.1 Obecné informace Pozorování Slunce nepochybně patří k nejstarším pozorováním, jaká kdy člověk prováděl. Samozřejmě zpočátku sledoval jen sluneční kotouč jeho polohu, pohyby. Všímal si času a místa, kde Slunce vychází a zapadá o rovnodennostech, slunovratech. Teprve mnohem později si občas mohl povšimnout, že na tom zlatavém slunečním kotouči je někdy možné vidět tmavší skvrny. Slunce už nebylo tak božsky čisté a neposkvrněné. S objevem dalekohledu bylo možné sledovat tyto skvrny na slunečním povrchu častěji. Jenže přímé pozorování Slunce končilo zpravidla katastrofálním poškozením zraku a mnohdy slepotou. Dnes existují speciální dalekohledy nebo alespoň speciální filtry, které vám umožní pozorovat Slunce přímo a přitom bezpečně. Ale bezpečně lze pozorovat Slunce i bez speciální výbavy, stačí použít projekci nebo sledovat kotouček Slunce pomocí dírkové komory (camera obscura 1 ). První vyobrazení dírkové komory (a hned využité při sledování Slunce) publikoval v roce 1545 astronom Gemma Frisius, který s její pomocí pozoroval zatmění Slunce v předchozím roce (viz obr. 1). Obr. 1: Gemma Frisius: De Radio Astronomica et Geometrica (1545). V tomto praktiku si sami dírkovou komoru zhotovíte a využijete ji při měření úhlového průměru Slunce. Pokud budete pracovat pečlivě, budete jistě udiveni přesností výsledku. Jak jsme se už zmínili, lze na Slunci pozorovat sluneční skvrny. Tmavší skvrny jsou jen chladnější místa ve spodní vrstvě sluneční atmosféry, tzv. fotosféře. Dlouhodobým sledováním jejich výskytu a četnosti můžeme hodnotit aktivitu Slunce. Švýcarský astronom Rudolf Wolf 1 Zřejmě nejstarší dochovaný popis pozorování pomocí camery obscury pochází z 5. století př. n. l. od čínského filosofa Muo Ti. Na západ od Číny nalezneme řadu učenců, kteří se zabývali přímočarým šířením světla a minimálně znali princip fungování dírkové komory. První podrobný popis camery obscury ale publikoval až kolem r. 1485 Leonardo da Vinci, který ji využíval ke studiu perspektivy. 1
Obr. 2: Tento obra zek je uka zkou dı rkove komory. Soustava pr irozeny ch dı rkovy ch komor vznika otvory mezi listy v korune stromu. Snı mek por ı dil E. Israel v c ase c a stec ne ho zatme nı Slunce v roce 1994. (1816-1893) navrhl vyuz ı vat proto tzv. relativnı c ı slo slunec nı ch skvrn R R = k (10G + F ), (1) kde k je koeficient podle pouz ite ho pr ı stroje, jeho parametru a umı ste nı, G je poc et skupin skvrn a F je poc et skvrn. V dobe minima lnı aktivity nenı na Slunci vide t z a dna skvrna po dlouhe ty dny a c ı slo R je tedy nulove. Naopak v dobe maxima slunec nı c innosti jsou rovnı kove oblasti na skvrny velmi bohate, R pr esahuje i hodnotu 300. V ra mci praktika provedete s vyuz itı m male ho dalekohledu, triedru pozorova nı Slunce projekcı (!) a zakreslı te pr ı padne slunec nı skvrny. 2 Pracovnı postup 1. Sestavenı dı rkove komory Vy roba dı rkove komory je snadna. Stac ı do tuz s ı ho papı ru (kartonu) propı chnout mens ı dı rku. Tak vytvor ı te objektiv komory, kterou pak namı r ı te na Slunce. V urc ite vzda lenosti od otvoru uvidı te na bı le m stı nı tku maly jasny slunec nı kotouc ek. Jeho okraj nebude u plne ostry. V kaz de m pr ı pade musı te karton s otvorem umı stit kolmo na sme r slunec nı ch paprsku. 2
2. Určení úhlového průměru Slunce Změřte vzdálenost stínítka od otvoru r a průměr slunečního kotoučku d, přičemž jako okraj berte střed přechodové zóny jak je patrné z obrázku 3. Měření opakujte pro různé vzdálenosti otvoru od stínítka r. Naměřené hodnoty veličin d a r (měřených samozřejmě ve stejných jednotkách, např. milimetrech) vepište do tabulky 1. Úhlový průměr Slunce γ vypočtete podle vztahu γ = d/r. (2) Výsledné hodnoty v radiánech zapište do tabulky. Spočtěte průměrnou hodnotu a chybu a přepočtěte na úhlovou míru). Poznámka: Experiment lze vylepšit odstíněním parazitního světla. Větší přesnosti dosáhneme při vzdálenostech otvoru od stínítka větších než 1 metr. Obr. 3: Sestavení dírkové komory. 3. Pozorování Slunce projekcí Nejbezpečnější pozorování Slunce je pozorování projekcí. NIKDY SE NEDÍVEJTE PŘÍMO NA SLUNCE DALEKOHLEDEM bez speciální výbavy!!! Při našem pozorování stačí využít běžný malý dalekohled jako triedr, galileoskop a pod. Dalekohled namiřte na Slunce (ale nedívejte se do něj!) - stačí sledovat stín vrhaný dalekohledem. Do jisté vzdálenosti za dalekohled umístěte tvrdou podložku s bílým papírem a na něj zakreslete sluneční kotouč a skvrny. Kresbu provádějte nejlépe tužkou. Pokud budete pozorování provádět na koleně, požádejte o pomoc spolužáky, aby vám dalekohled případně i podložku přidrželi a pak se můžete vystřídat. Při použití triedru, obecně binárního dalekohledu s dvěma okuláry je vhodné jednu část (objektiv a okulár) zaclonit, aby nedošlo k náhodnému pohledu do dalekohledu mířícího na Slunce. I letmý pohled může poškodit zrak! Nezapomeňte také, že dalekohled stejně jako lupa umožňuje zaostřit svazek slunečního světla do jednoho bodu. Pokud bude tento bod zamířen na povrch hořlavé látky, např. na papír, koberec a podobně po delší dobu, může se tato látka vznítit! Proto je nutné po každém měření dalekohled přikrýt nebo odklonit ze směru na Slunce. Samozřejmě pokud máte v dosahu nějakou hvězdárnu, požádejte tamní pracovníky, zda byste si nemohli Slunce u nich nakreslit. Zpravidla už na to mají speciální vybavení. Vždy si do pozorovacího deníku nebo alespoň ke kresbě zaznamenejte datum, čas a místo pozorování, pozorovací podmínky a parametry použitého přístroje. Kresbu přiložte k protokolu. 4. Určení relativního čísla slunečních skvrn V případě, že máte smůlu a realizace této úlohy připadla do období slunečního minima a na Slunci prostě žádné skvrny nejsou, nezoufejte. Použijte, přiložený obrázek 4 a z něj zjistěte relativní číslo slunečních skvrn. Ale pozor! Stav Slunce a (ne)výskyt skvrn se dá kdykoli ověřit 3
(napr ı klad na http://www.spaceweather.com). Obra zky vyuz ijte tedy pouze v krajnı nouzi a nejle pe s ve domı m vyuc ujı cı ho. At jiz pouz ijete skutec na pozorova nı nebo snı mky, zvolte konstantu u me rnosti k rovnu jedne. Obr. 4: Slunce 11. r ı jna 2011. Pouz ite zdroje a dals ı materia ly ke studiu http://www.spaceweather.com http://hvr.cz/slunce/navod/ http://astrosvet.com/index.php?id=oslunci&clanek=bezpecne-pozorovani-slunce Marsh, J. C. D., 1982, Journal of the British Astronomical Association, vol.92, no.6, p.257-259 Pokorny, Z., Vademecum. Hve zda rna a planeta rium M. Kopernı ka v Brne, 2006 4
PRAKTICKÁ ČÁST Shrnutí úkolů: Úkol 1. Vytvoření dírkové komory. Úkol 2. Určení úhlového průměru Slunce. Změřte velikost slunečního kotoučku při různých vzdálenostech otvoru od stínítka (kartonu) a zapište do tabulky. Spočtěte úhlový průměr Slunce pro každou naměřenou dvojici hodnot a opět zapište do tabulky. Tabulka 1: Měření úhlového průměru Slunce. Pořadové číslo r d γ [rad] měření 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Spočtěte střední hodnotu úhlového průměru Slunce a jeho chybu a převed te údaje na stupně. Diskutujte nepřesnost měření, chybu určení úhlového průměru Slunce. Nezapomeňte si poznačit datum a čas měření, případně i místo a pozorovací podmínky. Vše uved te níže. Úhlový průměr Slunce je roven radiánů = stupňů. Úkol 3. Pozorování Slunce projekcí. Ke splnění úkolu si zajistěte malý dalekohled postačí lovecký triedr, binar nebo třeba galileoskop, případně si domluvte přístup k dalekohledu na hvězdárně. Dbejte zásad bezpečnosti práce. Pokud nemáte speciální vybavení (značkové speciální filtry, helioskopický okulár apod.) NIKDY 5
SE NEDÍVEJTE DALEKOHLEDEM PŘÍMO NA SLUNCE!!! A to ani tím nejmenším! Poškození nebo ztráta zraku, ke kterému by mohlo dojít by pak nejspíše byly trvalé! Pokud využijete binokulární dalekohled, zacloňte tu část dalekohledu (nejlépe objektiv i okulár), kterou nebudete používat. Namířit dalekohled na Slunce je snadné i bez pohledu do dalekohledu. Stačí sledovat stín přístroje na pozadí. Když je stín nejmenší, máme namířeno a zpravidla se na stínítku objeví i nezaostřený jasný sluneční kotouček. Změnou vzdálenosti obraz zaostříte. Pak už stačí mít dalekohled i stínítko zafixovány a zakreslit sluneční kotouček i skvrny, které jsou pozorovatelné. Můžete požádat spolužáky, aby vám dalekohled i stínítko přidrželi. Vy si pak jen lehce načrtnete rozměry kotoučku a polohu skvrn. Pak už stačí detaily skvrn dokreslit při pohodlnější poloze papíru s nákresem. Vždy nezapomeňte uvést čas, místo pozorování, použitý přístroj, pozorovací podmínky a další okolnosti důležité nebo zajímavé pro provedené pozorování. Nákres přiložte k protokolu. Úkol 4. Určení relativního čísla slunečních skvrn Z vašeho nákresu, eventuálně z obrázku 4 určete relativní číslo slunečních skvrn. Vyznačte, zda jste využili přiložený nákres z vlastního pozorování nebo obrázek 4. Zjištěný počet skupin skvrn G =, zjištěný počet skvrn F =. Relativní číslo slunečních skvrn R=. Úkol 5. Kontrolní otázky 1. Je možné pozorovat sluneční skvrny pouhýma očima (bez dalekohledu)? 2. Spočtěte, jak velká by musela být skvrna na Slunci, aby ji bylo možné vidět pouhýma očima bez dalekohledu. 3. Najděte v astronomické literatuře nebo na internetu přesný úhlový průměr Slunce. Napište hodnotu a chybu a porovnejte s vaším měřením. Nezapomeňte uvést přesnou citaci zdroje. 4. Proč je okraj slunečního kotouče promítnutý dírkovou komorou neostrý? 5. Napište kterým směrem vychází a zapadá Slunce u nás v ČR v době zimního slunovratu. 6